ARM 单片开发

NOR Flash操作原理及裸机程序分析

2018-10-26  本文已影响188人  ZebraWei

版权声明：本文为小斑马学习总结文章，技术来源于韦东山著作，转载请注明出处！

一、Nor Flash原理及硬件操作

Norflash:它像内存一样是直接挂在系统总线上的，这样有足够多的地址线使得CPU能够寻址到每一个存储单元上去，这也意味着CPU能够直接通过总线访问NorFlash上存储的内容，同时它还支持XIP（片选内存上执行，不用将代码拷贝到内存中，直接在NorFlash上就能运行）。
NorFlash的硬件接线：Nor Flash的连接线有地址线，数据线，片选信号读写信号等，Nor Flash的接口属于内存类接口，Nor Flash可以向内存一样读，但是不能像内存一样写，需要做一些特殊的操作才能进行写操作，读只需像内存一样读很简单。
Nor Flash原理图如图：

二、Flash介绍

常用的Flash类型有Nor Flash和Nand Flash两种。

- NorFlash NandFlash
XIP(代码可以直接运行) Yes No
性能(擦除) 非常慢(5s) 快(3ms)
性能(写) 慢 快
性能(读)) 快 快
性能(写) 慢 快
可靠性 较高，位反转的比例小于NAND Flash的10% 比较低，位反转比较常见，必须有校验措施，比如TNR必须有坏块管理措施
可擦除次数 10000 ~ 100000 100000 ~ 1000000
生命周期 低于NAND Flash的10% 是Nor Flash的10倍以上
接口 与RAM接口相同 I/O接口
易用性 容易 复杂
主要用途 常用于保存代码和关键数 用于保存数据

Nor Flash支持XIP，即代码可以直接在Nor Flash上执行，无需复制到内存中。这是由于NorF lash的接口与RAM完全相同，可以随机访问任意地址的数据。Nor Flash进行读操作的效率非常高，但是擦除和写操作的效率很低，另外，Nor Flash的容量一般比较小。NAND Flash进行擦除和写操作的效率更高，并且容量更大。一般而言，Nor Flash用于存储程序，NAND Flash用于存储数据。基于NAND Flash的设备通常也要搭配Nor Flash以存储程字。
Flash存储器件由擦除单元（也称为块）组成，当要写某个块时，需要确保这个块己经被擦除。Nor Flash的块大小范围为64kB、128kB：NAND Flash的块大小范围为8kB，64kB，擦/写一个Nor Flash块需4s，而擦／写一个NAND Flash块仅需2ms。Nor Flash的块太大，不仅增加了擦写时间，对于给定的写操作，Nor Flash也需要更多的擦除操作——特别是小文件，比如一个文件只有IkB，但是为了保存它却需要擦除人小为64kB—128kB的Nor Flash块。
Nor Flash的接口与RAM完全相同，可以随意访问任意地址的数据。而NAND Flash的接口仅仅包含几个I/O引脚，需要串行地访问。NAND Flash一般以512字节为单位进行读写。这使得Nor Flash适合于运行程序，而NAND Flash更适合于存储数据。
对于Flash存储器件的可靠性需要考虑3点：位反转、坏块和可擦除次数。所有Flash器件都遭遇位反转的问题：由于Flash固有的电器特性，在读写数据过程中，偶然会产生一位或几位数据错误（这种概率很低），而NAND Flash出现的概率远大于Nor Flash，当位反转发生在关键的代码、数据上时，有可能导致系统崩溃。当仅仅是报告位反转，重新读取即可：如果确实发生了位反转，则必须有相应的错误检测/恢复措施。在NAND Flash上发生位反转的概率史高，推荐使用EDC/ECC进行错误检测和恢复。NAND Flash上面会有坏块随机分布在使用前需要将坏块扫描出来，确保不再使用它们，否则会使产品含有严重的故障。NAND Flash每块的可擦除次数通常在100000次左右，是Nor Flash的10倍。另外，因为NAND Flash的块大小通常是NorF lash的1/8，所以NAND Flash的寿命远远超过Nor Flash。

三、Nor Flash的操作

下面我们使用u-boot来体验Nor Flash的操作(开发板设置Nor启动，进入u-boot)。
1).使用OpenJTAG烧写UBOOT到Nor Flash
那么我们怎么用u-boot来操作呢？
Nor Flash手册里会有一个命令的表格，如图：


下面简单的举一些例子：
复位(reset)：往任何一个地址写入F0。
读ID(ReadSiliconID)：很多的Nor Flash可以配置成位宽16bit(Word)，位宽8bit(Byte)。对于我们使用的jz2440开发板使用是位宽16bit，怎样读ID呢？
根据前面得图可知，往Nor Flash的555地址写AA，再往2AA的地址写入55，再往555的地址写入90，然后就可以读ADI地址，就可以读到DDI数据了
实例1
读数据：
在u-boot上执行：md.b0
结果(和我们烧进去的数据完全一样)： 
00000000:170000ea14f09fe514f09fe514f09fe5................
00000010:14f09fe514f09fe514f09fe514f09fe5................
00000020:6001f833c001f8332002f8337002f833`..3...3..3...3
00000030:e002f8330004f8332004f833efbeadde...3...3..3....

可以得出结论：u-boot可以像读内存一样来读nor flash
实例2
读ID(参考Nor手册)

为什么Nor Flash的地址线A0是接在2440的LADDR1上?
因为NorFlash的数据共有16位,也就是每个地址保存了2B数据,而我们的2440每个地址是保存的1B数据,
比如:当2440访问0X00地址时,就会读取到Nor上0地址的2B数据,然后2440的内存控制器会根据0x00来找到低8位字节,并返回给CPU,当2440访问0x01地址时,由于2440的LADDR0线未接,所以还是访问Nor的0地址上的2B数据,然后内存控制器会根据0x01来找到高8位字节,并返回给CPU。
根据NorFlash的原理图：在硬件连接上，Nor的地址线与cpu的地址线错开1位。相对于cpu也就是我们写程序的时候，需要将addr<<1，这样cpu错位的地址线发出的地址正好对上nor需求的地址。
下面对在Nor Flash的操作，2440的操作，U-BOOT上的操作进行比较，如下表：

Nor Flash的操作 2440的操作 U-BOOT上的操作
往地址555H写入AAH(解锁) 往地址AAAH写入AAH(解锁) mw.waaaaa
往地址2AAH写入55H(解锁) 往地址554H写入55H(解锁) mw.w 554 55
往地址555H写入90H（命令） 往地址AAAH写入90H（命令） mw.w aaa 90
读0地址得到厂家ID(C2H) 读0地址得到厂家ID(C2H) md.w 0 1 (1:表示都一次)
读1地址得到设备ID(22DAH或225BH) 读2地址得到设备ID(22DAH或225BH) md.w 2 1 (1:表示都一次)
退出读ID状态：给任意地址写F0H就可以了 退出读ID状态：给任意地址写F0H就可以了 mw.w 0 f0

四、Nor Flash的两种规范

通常内核里面要识别一个 Nor Flash 有两种方法：

一种是 jedec 探测，就是在内核里面事先定义一个数组，该数组里面放有不同厂家各个芯片的一些参数，探测的时候将 flash 的 ID 和数组里面的 ID 一一比较，如果发现相同的，就使用该数组的参数。
jedec 探测的优点就是简单，缺点是如果内核要支持的 flash 种类很多，这个数组就会很庞大。内核里面用 jedec 探测一个芯片时，是先通过发命令来获取 flash 的 ID，然后和数组比较，但是 flash.c 中连 ID 都是自己通过宏配置的。

一种是 CFI(common flash interface)探测，就是直接发各种命令来读取芯片的信息，比如 ID、容量等，芯片本身就包含了电压有多大，容量有有多少等信息。
下面对在Nor Flash上操作，2440上操作，U-BOOT上操作cfi 探测（读取芯片信息）进行比较参考芯片手册。

Nor Flash上操作cfi 2440上操作cfi U-BOOT上操作cfi
往55H地址写入98H 往AAH地址写入98H mw.w aa 98
读地址10H得到0051 读地址20H得到0051 mw.w aa 98
读地址11H得到0052 读地址22H得到0052 md.w 20 1
读地址12H得到0059 读地址24H得到0059 md.w 22 1
读地址27H得到容量 读地址4EH得到容量 md.w 4e 1

五、Nor Flash写数据

我们在Nor Flash的10000的地址读数据，
md.w 100000 1
结果：
00100000:ffff..
在Nor flash的10000的地址写数据下0x1234，
mw.w 100000 1234
然后在这个地址读数据，
md.w 100000 1
结果：
00100000:ffff(这个地址上的数据没有被修改，写操作无效)。
怎样把数据写进Nor Flash进去呢？
写数据之前必须保证，要写的地址是擦除的。
下面是Nor Flash的写操作，如下表：

Nor Flash上操作写操作 2440上操作写操作 U-BOOT上操作写操作
往地址555H写AAH(解锁) 往地址AAAH写AAH(解锁) mw.w aaa aa
往地址2AAH写55H(解锁) 往地址554H写55H(解锁) mw.w 554 55
往地址555H写A0H 往地址AAAH写A0H mw.w aaa a0
往地址PA写PD 往地址0x100000写1234h mw.w 100000 1234

读取函数
nor_read_word函数是从NOR Flash 读取两个字节（本开发板位宽16bit），读取数据的地址，是基于2440，所以读取NOR Flash某个地址上的数据时，需要把NOR Flash对应的地址左移一位(地址乘以2)。

unsigned int nor_read_word(unsigned int base, unsigned int offset)
{
     volatile unsigned short *p = (volatile unsigned short *)(base + (offset << 1));
     return *p;
}

读取地址中的数据
向nor_dat函数中写入NOR Flash某个地址，返回该NOR Flash地址上的数据。

unsigned int nor_dat(unsigned int offset)
{
    return nor_read_word(NOR_FLASH_BASE, offset);
}

进入NOR FLASH的CFI模式，读取各类信息
do_scan_nor_flash函数代码如下，该函数的功能：进入CFI模式读取NOR Flash中的厂家ID，设备ID,容量等信息。

void do_scan_nor_flash(void)
{
char str[4];
unsigned int size;
int regions, i;
int region_info_base;
int block_addr, blocks, block_size, j;
int cnt;

int vendor, device;

/* 打印厂家ID、设备ID */
nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
nor_cmd(0x555, 0x90);    /* read id */
vendor = nor_dat(0);
device = nor_dat(1);
nor_cmd(0, 0xf0);        /* reset */

nor_cmd(0x55, 0x98);  /* 进入cfi模式 */

str[0] = nor_dat(0x10);
str[1] = nor_dat(0x11);
str[2] = nor_dat(0x12);
str[3] = '\0';
printf("str = %s\n\r", str);

/* 打印容量 */
size = 1<<(nor_dat(0x27));
printf("vendor id = 0x%x, device id = 0x%x, nor size = 0x%x, %dM\n\r", vendor, device, size, size/(1024*1024));

/* 打印各个扇区的起始地址 */
/* 名词解释:
 *    erase block region : 里面含有1个或多个block, 它们的大小一样
 * 一个nor flash含有1个或多个region
 * 一个region含有1个或多个block(扇区)

 * Erase block region information:
 *    前2字节+1    : 表示该region有多少个block 
 *    后2字节*256  : 表示block的大小
 */

regions = nor_dat(0x2c);
region_info_base = 0x2d;
block_addr = 0;
printf("Block/Sector start Address:\n\r");
cnt = 0;
for (i = 0; i < regions; i++)
{
    blocks = 1 + nor_dat(region_info_base) + (nor_dat(region_info_base+1)<<8);
    block_size = 256 * (nor_dat(region_info_base+2) + (nor_dat(region_info_base+3)<<8));
    region_info_base += 4;

//      printf("\n\rregion %d, blocks = %d, block_size = 0x%x, block_addr = 0x%x\n\r", i, blocks, block_size, block_addr);

    for (j = 0; j < blocks; j++)
    {
        /* 打印每个block的起始地址 */
        //printf("0x%08x ", block_addr);
        printHex(block_addr);
        putchar(' ');
        cnt++;
        block_addr += block_size;
        if (cnt % 5 == 0)
            printf("\n\r");
    }
}
printf("\n\r");
/* 退出CFI模式 */
nor_cmd(0, 0xf0);
}

第65，66行 这两步是解锁，解锁之后就进入读ID状态，就可以读取厂家和设备ID了。
第68行 是把读取到的厂家ID的值，复制给vendor变量。
第69行 是把读取到的设备ID的值，复制给device变量。
第70行 退出读ID状态: 给任意地址写F0H。
第72行,往地址0x55地址写入数据0x98,是进入cfi模式。
第74，75，76行是读取NOR Flash地址0x10,0x11,x012中的字符，赋值给字符串str。
第81行，根据芯片手册可知道，读取NOR Flash地址0x27处的数据，得到的是NOR Flash容量大小2的幂数，所以把1左移读取到的数据，就可得到NOR Flash的容量。
第95行读取NOR Flash地址0x2c地址中的数据，可以得到NOR Flash中有多少region。
第102行根据Erase block region information:的信息可以知道读取[2E,2D]这两个字节的地址+1，可以得到一个region有多少block(参考芯片手册)。代码中的region_info_base变量的值是0x2d,0x2d是前两个字节中的低字节，0x2e是前两个字节中的高字节，所以需要左移8位，然后加上1就得到了一个region有多少block.。
第103行参考芯片手册，读取[30,2F]这两个字节地址，然后乘上256就可以得到一个块的大小。
第104行，地址加4，读取下一个region有多少block和每个block的大小。
第112,115行，由于NOR Flash的基地址是0，所以第一个block的首地址是0，下一个block的首地址，就是上一个block的首地址加上block的大小。
第112行往0地址写入0xf0,退出CFI模式。
Nor Flash的测试
nor_flash_test函数通过switch语句，分别处理识别NOR Flash，擦除NOR Flash某个扇区，编写某个地址，读某个地址。代码如下：

void nor_flash_test(void)
{
char c;

while (1)
{
    /* 打印菜单, 供我们选择测试内容 */
    printf("[s] Scan nor flash\n\r");
    printf("[e] Erase nor flash\n\r");
    printf("[w] Write nor flash\n\r");
    printf("[r] Read nor flash\n\r");
    printf("[q] quit\n\r");
    printf("Enter selection: ");

    c = getchar();
    printf("%c\n\r", c);

    /* 测试内容:
     * 1. 识别nor flash
     * 2. 擦除nor flash某个扇区
     * 3. 编写某个地址
     * 4. 读某个地址
     */
    switch (c)       
    {
        case 'q':
        case 'Q':
            return;
            break;
            
        case 's':
        case 'S':
            do_scan_nor_flash();
            break;

        case 'e':
        case 'E':
            do_erase_nor_flash();
            break;

        case 'w':
        case 'W':
            do_write_nor_flash();
            break;

        case 'r':
        case 'R':
            do_read_nor_flash();
            break;
        default:
            break;
    }
  }
}

主函数
main函数代码如下所示。把timer中断去掉，否则: 测试NOR Flash时进入CFI等模式时, 如果发生了中断，cpu必定读NOR Flash，那么读不到正确的指令，导致程序崩溃。

int main(void)
 {
 led_init();
  //interrupt_init();  /* 初始化中断控制器 */
  key_eint_init();   /* 初始化按键, 设为中断源 */
  //timer_init();

  puts("\n\rg_A = ");
  printHex(g_A);
  puts("\n\r");

  nor_flash_test();

 return 0;
}

六、Nor Flash编程_擦写读

本实例的目的目的：擦除nor flash某个扇区，编写某个地址，读某个地址。
等待烧写
等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 (参考芯片手册)，

void wait_ready(unsigned int addr)
{
unsigned int val;
unsigned int pre;

pre = nor_dat(addr>>1);
val = nor_dat(addr>>1);
while ((val & (1<<6)) != (pre & (1<<6)))
{
    pre = val;
    val = nor_dat(addr>>1);     
}
}

擦除NOR Flash 某个扇区
do_erase_nor_flash函数的代码如下。参考芯片手册，就可以知道擦除某个扇区，还是相对比较简单的。

void do_erase_nor_flash(void)
{
unsigned int addr;

/* 获得地址 */
printf("Enter the address of sector to erase: ");
addr = get_uint();

printf("erasing ...\n\r");
nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
nor_cmd(0x555, 0x80);    /* erase sector */

nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
nor_cmd(addr>>1, 0x30);  /* 发出扇区地址 */
wait_ready(addr);
}

写NOR Flash
do_write_nor_flash的代码如下所示，开发板上的NOR Flash的位宽是16bit,所以可以把要写的数据构造出16bit然后在写进NOR Flash中。

void do_write_nor_flash(void)
{
unsigned int addr;
unsigned char str[100];
int i, j;
unsigned int val;

/* 获得地址 */
printf("Enter the address of sector to write: ");
addr = get_uint();

printf("Enter the string to write: ");
gets(str);

printf("writing ...\n\r");

/* str[0],str[1]==>16bit 
 * str[2],str[3]==>16bit 
 */
i = 0;
j = 1;
while (str[i] && str[j])
{
    val = str[i] + (str[j]<<8);
    
    /* 烧写 */
    nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
    nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
    nor_cmd(0x555, 0xa0);    /* program */
    nor_cmd(addr>>1, val);
    /* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */
    wait_ready(addr);

    i += 2;
    j += 2;
    addr += 2;
}

val = str[i];
/* 烧写 */
nor_cmd(0x555, 0xaa);    /* 解锁 */
nor_cmd(0x2aa, 0x55); 
nor_cmd(0x555, 0xa0);    /* program */
nor_cmd(addr>>1, val);
/* 等待烧写完成 : 读数据, Q6无变化时表示结束 */
wait_ready(addr);
}

通过get_uint获得的地址赋值给addr变量，
通过gets函数获得输入的字符串。
两个8位的数据，组合成一个16位的数据赋值给变量val.
读NOR Flash
do_read_nor_flash函数代码如下，由于NOR Flash是内存类接口，可以像内存一样读取。

void do_read_nor_flash(void)
{
unsigned int addr;
volatile unsigned char *p;
int i, j;
unsigned char c;
unsigned char str[16];

/* 获得地址 */
printf("Enter the address to read: ");
addr = get_uint();

p = (volatile unsigned char *)addr;

printf("Data : \n\r");
/* 长度固定为64 */
for (i = 0; i < 4; i++)
{
    /* 每行打印16个数据 */
    for (j = 0; j < 16; j++)
    {
        /* 先打印数值 */
        c = *p++;
        str[j] = c;
        printf("%02x ", c);
    }

    printf("   ; ");

    for (j = 0; j < 16; j++)
    {
        /* 后打印字符 */
        if (str[j] < 0x20 || str[j] > 0x7e)  /* 不可视字符 */
            putchar('.');
        else
            putchar(str[j]);
    }
    printf("\n\r");
  }
}

get_uint函数，从串口中获得输入的地址。
强制类型转化。
对NOR Flash内容的读取，输出的内容为16进制的数据，由于NOR Flash是内存类接口，可以像内存一样读取。
输出NOR Flash的内容为字符型数据，其中的第223行用来判断，输出的字符是否为不可视字符，要是为不可视字符输出点'.',要是可视字符输出字符。

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